國際廠商開發固態電池發展現況

 

刊登日期:2019/6/5
  • 字級

為了滿足安全與高能量密度的需求,許多國際大廠與國家研究單位致力開發全固態電池。當鋰電池導入全固態電解質時,電池製造技術也可能隨之改變,當全固態電解質不斷地被發掘後,研發主軸已由最初探索高性能固態電解質,逐步邁向開發電解質量產技術與電池製造技術。
 
本文將從以下大綱,介紹國際大廠在固態電解質與固態電池製造技術的發展現況。
‧硫化物電解質的開發
‧氧化物電解質的開發
‧硼氫化鋰系列電解質的開發
‧全固態電池製造技術的開發
‧結論
 
【內文精選】
手機、電動車、儲能系統等鋰電池下游應用產品在近年來頻傳起火、爆炸事件。雖然事故原因並非100%由鋰電池造成,但傳統鋰電池使用有機易燃液體當作電解質,一旦電池發生過充電或隔離膜刺穿時,電解液可能被氧化分解產生熱能或者是洩漏,進而引發燃燒、爆炸事件。為了進一步提高下游應用產品安全性,採用全固態電解質(Solid State Electrolyte)取代電解液的全固態電池(Solid State Battery)成為業界積極推動的發展方向。
 
應用於電池技術中的全固態電解質包含硫化物電解質、氧化物電解質、硼氫化鋰(LiBH4)系電解質、高分子電解質等。目前較多廠商開發硫化物電解質與氧化物電解質,其可歸因於硫化物電解質具有較高的室溫離子導電度、熱穩定性與安全性能,以及較寬的電化學穩定窗口;氧化物電解質具有化學穩定性高的優勢,可在大氣環境下穩定存在,因此加工製造較為容易,將有利於未來的大規模生產。根據NEDO對於動力電池技術轉移的預測(圖一),2030年的主流技術應為全固態鋰電池,其中包含第一代硫化物固態鋰電池與第二代先進硫化物或氧化物固態鋰電池。
 
圖一、NEDO預測電動車用鋰電池技術轉移藍圖
圖一、NEDO預測電動車用鋰電池技術轉移藍圖
 
氧化物電解質的開發
氧化物電解質根據結構大致可分成NASICON型、Garnet型、Perovskite型。開發該類型電解質或其固態電池的廠商分別有OHARA、東京電力、東邦鈦金屬。OHARA同時開發氧化物固態電解質與全固態鋰離子電池,其獨立開發固態電解質,但與豐田汽車、名古屋大學共同申請使用氧化物固態電解質製作固態鋰離子電池等專利。電解質主要為Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2系列(LICGC),在25˚C下的離子導電度為3 × 10-4 S/cm,離子導電度隨環境溫度增加而提高,須加熱至60˚C時離子導電度才能提升至10-3 S/cm。東京電力開發的Garnet型氧化物電解質為Li7La3Zr2O12 (LLZ)系列。Garnet型氧化物電解質近年來吸引許多研究者投入開發(圖三),在開發的15年期間,離子導電度已由10-6 S/cm提升至10-3 S/cm。東邦鈦金屬原先是生產負極材料鈦酸鋰,目前則是與日本學習院大學合作開發固態電解質,其開發的氧化物固態電解質La0.57Li0.29TiO3 (LLTO)在室溫(27˚C)的離子導電度為6.8 × 10-4 S/cm,離子導電度會隨溫度提高而增加,須加熱至60˚C時離子導電度才能提升至10-3 S/cm。
 
圖三、Garnet型氧化物電解質之發展歷程。(a) Garnet型氧化物電解質之離子導電度發展過程;(b)Li7La3Zr2O12相關論文的發表件數
圖三、Garnet型氧化物電解質之發展歷程。(a) Garnet型氧化物電解質之離子導電度發展過程;(b)Li7La3Zr2O12相關論文的發表件數
 
全固態電池製造技術的開發
全固態電池不僅為全固態電解質的開發,同時也包含高能量密度正負極材料的研究,乃至於電池製造技術的改良。因此投入的廠商包含材料與電池製造廠商,甚至亦有電動車廠投入資源進行開發。由於電池製造技術攸關電池性能,因此除了固態電解質的研發投入外,亦有許多廠商著手於開發全固態電池的製造技術,包含粉體加壓、塗佈乾燥、半導體製程(真空鍍膜)…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:林幸慧/工研院產科國際所
★本文節錄自「工業材料雜誌」390期,更多資料請見下方附檔。

分享